Holz durch computergestützte Methoden berechenbar machen

Holz als Tragwerkselement wird oft mit Skepsis betrachtet und daher nicht so umfangreich eingesetzt wie seine ausgezeichneten Materialeigenschaften zulassen würden. Neben bauphysikalischen und bautechnischen Gründen ist die Hauptursache für diese Skepsis das sehr komplexe Materialverhalten, weshalb auch Bemessungskonzepte für Holz bisher nicht die Vorhersagegenauigkeit von anderen Baumaterialien erreicht haben. Das natürlich gewachsene Material Holz weist eine sehr inhomogene Materialstruktur auf, die durch zufällig auftretende Äste gekennzeichnet ist. Für die Vorhersage effektiver mechanischer Eigenschaften sind daher Berechnungsmethoden erforderlich, die es erlauben auch mehrdimensionale Festigkeits- informationen auf verschiedenen Betrachtungsebenen zu nutzen bzw. zu bestimmen. Dreidimensionale virtuelle Modelle von Holzbrettern, die festigkeitsbeeinflussende morphologische Eigenschaften (wie Äste und Faserabweichungen) beinhalten, würden die notwendige Grundlage für solche Methoden darstellen, sind bis heute jedoch nicht verfügbar. Aus diesem Grund sind vorhandene stochastische Ansätze, die zur Berücksichtigung der Materialvariabilität von Holz erforderlich sind, gezwungen, sich ausschließlich auf experimentell gewonnene Daten zu verlassen, was ihre Fähigkeit und Aussagekraft stark einschränkt. Das vorliegende Projekt hat daher zum Ziel, durch die Entwicklung und Anwendung von numerischen Simulationstools mechanisch fundierte und experimentell validierte Verknüpfungen von der Mikrostruktur von Holz bis hin zur Produktebene zu schaffen. Besonderer Fokus wird dabei auf die Beschreibung von Rissmechanismen rund um Äste und auf effiziente numerische Ansätze zur Bestimmung des mechanischen Verhaltens von Astgruppen gelegt. Der entscheidende Erfolg des Projektes wird aus der Kombination dieser Tools mit neuen Algorithmen zur Morphologie-Identifikation von Holzbrettern und modernen stochastischen Ansätzen, einschließlich genetischer Optimierungsalgorithmen mit Ideen aus der Evolutionstheorie und insgesamt von ihrer Einbettung in sogenannte virtuelle Holzforschungslabore erzielt. Diese Labore werden in der Lage sein, jede Art von Holzwerkstoff auf Grundlage realistischer Informationen des Rohmaterials virtuell zusammenzubauen und darüber hinaus sein mechanisches Verhalten unter beliebigen Belastungssituationen und Randbedingungen zuverlässig vorherzusagen. Dies wiederum ermöglicht es auf Basis der implementierten stochastischen Ansätze, probabilistische Information zu den effektiven Eigenschaften zu erhalten und durch Sensitivitätsanalyse Schlüsselparameter zu identifizieren, die diese beeinflussen. Schließlich werden durch genetische Optimierungsalgorithmen die Holzbretter innerhalb der betrachteten Holzprodukte solange umgeordnet, bis eine optimale Ausnützung des Rohmaterials vorliegt. Letztendlich könnte Holz erstmals berechenbar gemacht werden, und diese virtuellen Holz- forschungslabore könnten den Weg ebnen zu: intelligenten algorithmisch-getriebenen Fertigungs- prozessen folgend der Vision von Industrie 4.0, gezielter computergestützter Entwicklung neuer Tragwerkselemente aus Holz, und Integration von Holzbemessung in allgemeine Konzepte des computergestützten Designs. Dadurch wird die Holzindustrie auf die zukünftige Herausforderung unserer Gesellschaft: nachhaltige Infrastruktur effizient zu planen, zu produzieren und zu bauen, mit allen Möglichkeiten der sich schnell entwickelnden Bereiche der Digitalisierung und des kognitiven Rechnens, vorbereitet.